CC BY
35
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 631.363.7
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ БАРАБАННОГО СМЕСИТЕЛЯ
В. В. Коновалов, доктор техн. наук, профессор; Н. В. Димитриев, аспирант; А. В. Чупшев, канд. техн. наук, доцент; В. П. Терюшков, канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. 8412-628-367; e-mail: konovalov-penza@rambler.ru
Для приготовления сухих смесей в комбикормовой промышленности применяются смесители барабанного типа. Рассмотрен принцип работы и устройства модернизированного смесителя сухих кормов барабанного типа. Исследования проводились с использованием сменных рабочих органов смесителя при различных объемах емкости смесителя. Представлены результаты оптимизации конструктивных параметров барабанного смесителя комбикормов периодического действия. Выявлено влияние на качество смеси и потребляемую мощность ширины и количества лопастей, угла установки лопастей, времени смешивания и доли контролируемого компонента. Обоснованы оптимальные и рациональные параметры смесителя, на основании чего сформулированы соответствующие выводы.
Ключевые слова: барабанный смеситель, неравномерность смеси, мощность, лопасть, угол установки лопастей.
Введение.
Скармливание животным качественных смесей в достаточном количестве позволит повысить продуктивность животных и эффективность использования кормов [1-3]. Смешивание кормовых компонентов с целью получения комбикормов-концентратов на основе покупных БВД и собственного фуража в хозяйствах осуществляют различными смесителями [2-10]. Однако все они требуют высоких затрат на приобретение. В то же время имеются в продаже барабанные смесители периодического действия с достаточно низкой стоимостью (Kra-ton, General, Prorab и др.), предназначенные для приготовления строительных смесей. Модернизация указанных смесителей за счет замены имеющихся лопастей на новые позволит обеспечить надлежащее качество приготавливаемых кормосмесей в условиях личных хозяйств и расширит технологические возможности смесителей.
Целью работы являлась оптимизация параметров предлагаемых лопастей ба-
рабанного смесителя периодического действия.
Для реализации указанной цели были поставлены следующие задачи:
- осуществить изготовление предлагаемых лопастей и модернизацию смесителя «Кратон 180» для установки предлагаемых лопастей;
- выявить функциональные зависимости влияния количества лопастей, их ширины и угла установки, а также длительности перемешивания на качество приготавливаемой смеси и потребную мощность привода;
- обосновать оптимальные (рациональные) параметры модернизированного барабанного смесителя.
Результаты исследований.
Исследуемый смеситель периодического действия барабанного типа (рис. 1) состоит из рамного основания в составе опор 2, 9 и перекладины 1 и рабочей емкости 4 с закрепленным на наружной ее поверхности зубчатым венцом. На зубчатый венец вра-
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 41
щение передается от шестерни, установленной на выходе из силового блока 6. В силовом блоке вращение от электродвигателя передается ременной передачей. Штурвал 5 регулирует угол наклона оси вращения барабана. Частота вращения барабана 29 мин-1. Объем емкости 0,18 м3. Установленная мощность привода 650 Вт [11, 12, 13].
Рис. 1. - Барабанный смеситель периодического действия: 1 - перекладина; 2 - опора; 3 - зубчатый
венец; 4 - барабан; 5 - штурвал; 6 - силовой блок; 7 - кнопки СТОП/ПУСК;
8 - колесо; 9 - опора
Емкость смесителя представляет собой сложную геометрическую фигуру, состоящую из цилиндра, с торцов которого крепятся два усеченных конуса (рис. 2). У верхнего усеченного конуса имеется отверстие для загрузки-выгрузки материала, закрывающееся во время перемешивания крышкой с магнитными фиксаторами. Ось
вращения емкости барабана рекомендуется располагать под углом а=15 градусов от горизонтали. Внутри емкости крепятся предлагаемые радиальные лопасти, закрепленные на стенках емкости в шахматном порядке под углом р к оси емкости барабана. Лопасти плоские, имеют загиб кромки высотой 30 мм.
Работа смесителя осуществляется следующим образом: барабан смесителя с помощью штурвала устанавливается на определенный угол наклона оси вращения (15° от горизонтали), после чего в него засыпаются компоненты смеси и закрывается крышка. По истечении времени перемешивания крышка снимается, а барабан наклоняется отверстием вниз для высыпания приготовленной смеси в накопительную емкость [14, 15].
В процессе исследований изменялась ширина лопастей S от нуля до 0,15 м. Количество лопастей в опытах соответствовало нулю, двум, четырем, шести, восьми. Угол установки лопастей р относительно оси емкости составлял 30, 45 и 60 градусов.
Методика проведения опытов предусматривала определение неравномерности смеси V - коэффициента вариации содержания контрольного компонента в 20 пробах. Количество проб - 20 шт. Масса пробы 100 г. Повторность опытов трехкратная. Потребляемую мощность определяли измерительным комплектом КИ-505.
При проведении исследований в качестве компонентов смеси использовалась дерть пшенично-ячменная с соотношением культур 1:1 и плотностью 550 кг/м3, а контрольным компонентом служили зерна ячменя в количестве 1 % от массы смеси.
А-А
А
■ -А
1 2 3
Рис. 2. - Схема перемешивающего аппарата барабанного смесителя: 1 - емкость барабана; 2 - лопасть; 3 - свободная поверхность сыпучего материала
Время смешивания Т (с) определялось по длительности перемешивания компонентов после внесения сверху наполнителя порции контрольного компонента.
Коэффициент загрузки смесителя принимали равным 0,9. При этом максимальная масса определялась при условии, что в установленном под заданным углом (а=15 град.) вращающемся барабане исключалась самопроизвольная выгрузка смешиваемых ингредиентов.
Учитывая изменение качества смеси при различном времени перемешивания компонентов, выявлена зависимость неравномерности смеси (рис. 3):
V = 0,1938066+14,28248/7, (1)
где Т - время перемешивания компонентов смеси, с.
Коэффициент корреляции Я = 0,96434. Р-тест = 0,938417. Значения статистических показателей говорят об адекватности полученной регрессионной модели.
С увеличением длительности перемешивания качество смеси улучшается (неравномерность смеси V снижается). Вместе с этим анализ числовых значений неравномерности смеси на промежутке времени перемешивания более 200 с показывает, что числовые значения в течение последующих 13 минут изменяются незначительно (в пределах 8,3 %).
Учитывая относительную стабилизацию неравномерности смеси по прошествии 180... 300 с перемешивания компонентов смеси, время смешивания 3.5 мин можно счи-
тать рациональным. Дальнейшее смешивание не улучшает существенно качество смеси, но требует увеличения затрат энергии в разы (пропорционально относительно указанного временного интервала). Рациональной длительностью перемешивания считаем 240 с.
В результате реализации исследований влияния количества и ширины лопастей на коэффициент вариации содержания контрольного компонента V и статистической обработки полученных результатов получено выражение неравномерности смеси (рис. 4а), %:
V = 184,0382+574,2933-5+41,10862-5-2-6,6192-623,262 8°'5-0,03872/(2+0,001), (2)
где 2 - количество лопастей, шт.;
5 - ширина лопасти, м.
Коэффициент корреляции Я = 0,99817, Р-тест = 0,99482. Значения статистических показателей говорят об адекватности полученной регрессионной модели.
Отсутствие лопастей обеспечивает самое худшее качество смеси (^-100 %). При ширине лопастей до 5 = 0,06 м количество лопастей улучшает качество смеси V. При большей ширине лопастей их (лопастей) количество существенного улучшения качества смеси не обеспечивает. Коэффициент вариации V изменяется при этом от 33 % до 25 %.
Самое лучшее качество смеси обеспечивает установка 8 лопастей при их ширине Б=0,01...0,15 м. В связи с этим в последующих опытах используется барабан с 8
Рис. 3. Влияние длительности перемешивания Т (с) на неравномерность смеси V (0,01 %)
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 43
а б
Рис. 4. Влияние на неравномерность смеси V (%): а - ширины лопастей Б (м) и их количества 2 (шт.); б - количества лопастей 2 (шт.) и доли ширины лопастей от диаметра емкости барабана С3
лопастями, каждая из которых выполнена шириной 0,15 м. Зоотехнические требования при доле контрольного компонента 1 % не обеспечиваются.
С целью возможности интерполяции полученных результатов на смесители другого объема представлено влияние доли ширины лопастей от диаметра емкости барабана ^ и количества лопастей 7 на неравномерность смеси V в виде выражения (рис. 4б), %:
V = 199,9488+440,6047^з+25,24718^з-7--6,80728-7-561,809^з°'5-0,05463/(7+0,001), (3) где ^ - доля ширины лопасти относительно диаметра емкости барабана.
Коэффициент корреляции Р = 0,99853, Р-тест = 0,995844. Значения статистических показателей говорят об адекватности полученной регрессионной модели.
Характер зависимости соответствует предыдущей модели. Наилучшее качество смеси обеспечивает доля ширины лопа-
а б
Рис. 5. Влияние на потребляемую мощность № (Вт): а - количества лопастей 2 (шт.) и угла установки лопастей Б=р (рад.); б - ширины лопастей Б (м) и угла установки лопастей Б=р (град.)
стей от диаметра емкости барабана, равная 0,25. Поэтому данное значение доли ширины лопастей является рациональным и будет использоваться в последующих исследованиях.
Величина потребляемой мощности определялась двумя сериями замеров:
- при 2=8 лопастям и различной ширине лопасти Б;
- при различном количестве лопастей 2 шириной Б=0,15 м (^=0,25).
В результате статистической обработки полученных данных получено выражение мощности (рис. 5а), Вт:
М = 357,1158+(-2,29494-3,033852--0,369-22)(0,708873+1,165621 соз (в)), (4)
где 2 - количество лопастей, шт.;
в = В - угол установки лопастей относительно оси вращения емкости барабана, рад.
Коэффициент корреляции Р=0,99843, Р-тест=0,99657. Значения статистических показателей говорят об адекватности полученной регрессионной модели.
В результате статистической обработки полученных данных по исследованию влияния ширины лопасти и угла установки р восьми лопастей получено выражение мощности (рис. 5б), Вт:
М = 364,7333-0,27295 5х
х(-1504,81+ 11,45834/5). (5)
Коэффициент корреляции Я = 0,98979,
Р-тест = 0,973461. Значения статистических показателей говорят об адекватности полученной регрессионной модели.
В обеих выше представленных регрессионных моделях изменение мощности незначительно и близко к 5,0. 7,5 %. При этом рост числа лопастей и ширины лопасти увеличивает энегозатраты. Увеличение площади лопасти дает больший прирост мощности, чем угол ее установки. По мере увеличения угла установки лопастей относительно оси вращения проекция лопасти на ось вращения уменьшается, что снижает затрачиваемую мощность.
Влияние доли контролируемого компонента при различном угле установки лопастей на показатели работы исследовалось на барабанном смесителе с ранее обоснованными рациональными параметрами -количеством лопастей 8 шт. и ширине лопасти 0,15 м.
Результаты исследований влияния угла установки лопастей и доли контролируемого компонента на неравномерность смеси приведены в виде выражения (рис. 6), %:
v= 49,47318-0,68569^ + 0,007045-/ +
+ 0,006617/Юк -8,81658Ок05, (6)
где йк - доля контролируемого компонента от массы смеси, %.
Коэффициент корреляции Я = 0,97121, Р-тест = 0,905544. Значения статистических показателей говорят об адекватности полученной регрессионной модели.
Мос1е1: У=(а0+а1 *В+а11 *В*В+а12*В*Ок+а2*ОкяО,5) у=49.473-0:6853873*В+0.007045 2*В*В+0,0066168*В*Ок-8,816583*0к"0.5
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
В
Рис. 6. Влияние угла установки лопастей относительно оси вращения барабана р (град.) и доли контролируемого компонента от массы смеси йк (%) на неравномерность смеси V (%)
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 45
Анализ графика (рис. 6) свидетельствует, что лучшее качество смеси наблюдается при угле установки лопастей относительно оси вращения р около 40°...45°, из чего следует, что указанные значения угла установки лопастей являются оптимальными . Проверка на соблюдение зоотехни -ческих требований (у<10 %) показала, что их обеспечивает доля контролируемого компонента не менее йк=8 %.
Выводы.
Таким образом, смеситель с ранее обоснованными конструктивно-кинематически-
ми параметрами (количество лопастей 2 -8 шт.; ширина лопасти Б - 0,15 м; угол установки лопастей относительно оси вращения 40°...45° при угле расположения оси вращения барабана а = 15°) работоспособен при доле контролируемого компонента не менее йк = 8 %. Мощность, потребляемая смесителем, около 400 Вт, что не превышает мощность установленного электродвигателя (650 Вт). Энергоемкость смесеобразования при длительности перемешивания 240 с составляет 96000/27 = 3550 кДж/кг.
Литература
1. Ломов, В. И. Определение эффективности средств механизации кормления свиней /
B. И. Ломов, В. В. Коновалов // Научно-технический прогресс в животноводстве: Перспективная система машин - основа реализации стратегии машинно-технологического обеспечения животноводства на период до 2010 г.: тр. ГНУ ВНИИМЖ. - Подольск, 2004. - Т. 13, Ч. 3. - С. 140-145.
2. Сыроватка, В. И. Ресурсосбережение при производстве комбикормов в хозяйствах / Сыроватка, В. И. // Техника и оборудование для села. - 2011. - № 6. - С. 22-25.
3 Коновалов, В. В. Повышение эффективности средств механизации приготовления и выдачи кормосмесей в свиноводстве: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / В. В. Коновалов. -Пенза, 2005. - 24 с.
4. Обоснование параметров вертикального смесителя с комбинированным рабочим органом / И. А. Боровиков, В. В. Коновалов, В. П. Терюшков, В. Ф. Дмитриев // Вестник СГАУ им Н. И. Вавилова. - 2007. - № 3. - С. 59-61.
5. Новиков, В. В. Обоснование параметров лопастной мешалки / В. В. Новиков, С. П. Симченкова, В. И. Курдюмов // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2011. - № 2(14). - С. 104-108.
6. Нуруллин, Э. Г. Некоторые результаты исследований по определению параметров централизованного дозирования аппаратов / Э. Г. Нуруллин, И. М. Сапахов, И. З. Исламов // Вестник Казанского ГАУ. - 2009. - № 3(13). - С. 147-149.
7. Кухарев, О. Н. Теоретическое обоснование барабанного дражиратора с вращающимся дном / О. Н. Кухарев, Г. Е. Гришин, И. Н. Семов // Нива Поволжья. - № 1(26). - 2013. - С. 5155.
8. Чупшев, А. В. Влияние диаметра лопастей и их числа на неравномерность смеси и энергоемкость смешивания / А. В. Чупшев, В. В. Коновалов, В. П. Терюшков // Вестник ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина». -2008. - № 2. - С. 132-133.
9. Спирально-винтовой смеситель-конвейер / В. В. Коновалов, А. С. Фомин, А. В. Чуп-шев, В. П. Терюшков // Сельский механизатор. - 2012. - № 7. - С. 7.
10. Мишин, К. М. Экспериментальные исследования устройства для внесения жира в сухие корма / К. М. Мишин, А. А. Курочкин, В. В. Коновалов // Достижения науки и техники АПК. - 2002. - № 9. - С. 17-18.
11. Петрова, С. С. К вопросу определения качества смеси у барабанного смесителя /
C. С. Петрова, С. А. Кшникаткин, Н. В. Димитриев // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - № 3. - С. 67-72.
12. Обоснование угла установки емкости и длительности перемешивания сухих смесей барабанным смесителем / В. В. Коновалов, Н. В. Димитриев, С. А. Кшникаткин, А. В. Чупшев // Нива Поволжья - 2013. - № 1. - С. 46-50.
13. Кулинцев, В. В. Белковые концентраты для кормления свиней // Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 1. - С. 61-62.
14. Лянденбурский, В. В. Основы научных исследований / В. В. Лянденбурский, В. В. Коновалов, А. В. Баженов. - Пенза: ПГУАС, 2011. - 248 с.
15. Коновалов, В. В. Практикум по обработке результатов научных исследований с помощью ПЭВМ / В. В. Коновалов. - Пенза: ПГСХА, 2003. - 176 с.
UDK 631.363.7
OPTIMIZATION OF DRUM MIXER PARAMETERS
V. V. Konovalov, doctor of technical sciences, professor; N. V. Dmitriyev, post graduate;
A. V. Chupshev, candidate of technical sciences, assistant professor;
V. P. Terushkov, candidate of technical sciences, assistant professor
FSBEE HPT «Penza SAA», Russia, t. 8412-628-367; e-mail: konovalov-penza@rambler.ru
The article deals with using drum mixers. For preparing dry mixtures drum mixers are used in combine fodder industry. The principle of operation and design of modernized drum mixer of dry mixtures has been examined. The tests were conducted in the conditions of using replaceable working parts of the mixer at different volumes of mixer's tank. The results of optimizing the design parameters of drum mixer for combined fodders of periodic action are shown in the article. The Influence of the width and the number of blades, the angle of the blades, the time of mixing and the share of controlled component on the quality of the mixture and power consumption has been found out. The optimal and rational parameters of the mixer have been substantiated. On the basis of the tests results the appropriate conclusions have been made.
Key words: drum mixer, mixture unevenness, power, blade, the angle of the blades fixation.
References:
1. Lomov, V. I. Definition of efficiency of means of mechanization feeding pigs / V. I. Lomov, V. V. Konovalov // Scientific and technical progress in livestock production: a promising system of machinery - the basis for the fulfillment of the strategy of technological support of animal husbandry for the period until 2010: works of SSU ARSRIAH. - Podolsk, 2004. - Vol. 13, 3 Part - P. 140-145.
2. Syrovatka, V. I. Rresource saving in fodder production on farms / Syrovatka, V. I. // Tekhnika i oborudovaniye dlya sela. - 2011. - № 6. - P. 22-25.
3 Konovalov, V. V. Increasing the efficiency of means of mechanization of preparation and output of feed mixes in pig-breeding: Abstract. dis.... doctor of technical sciences / V. V. Konovalov. - Penza, 2005. - 24 p.
4. Substantiation of the parameters of vertical mixer with a combined working body / I. A. Borovikov, V. V. Konovalov, V. P. Terushkov, V. F. Dmitriyev // SSAU Vestnik in the name of N. I. Vavilov. - 2007. - № 3. - P. 59-61.
5. Novikov, V. V. Substantiation of the parameters of the paddle stirrers / V. V. Novikov, S. P. Simchenkova, V. I. Kurdyumov // Vestnik of the Ulyanovsk state agricultural academy. - 2011. -№ 2(14). - P. 104-108.
6. Nurullin, E. G. Some results on determining the parameters of centralized dozing devices, E. G. Nurullin, I. M. Sapakhov, I. Z. Islamov // Vestnik of Kazan SAU. - 2009. - № 3(13). - P. 147-149.
7. Kukharev, O. N. Theoretical substantiation of the drum pellet mill with a rotating bottom / O. N. Kukharev, G. E. Grishin, I. N. Syomovв // Niva Povolzhya. - № 1(26). - 2013. - P. 51-55.
8. Chupshev, A. V. The influence of blades diameter and their quantity on the unevenness of mixture and energy capacity of mixing / A. V. Chupshev, V. V. Konovalov, V. P. Terushkov // Vestnik FSEE HPT ' Moscow state university of agro-engineering in the name of V. P. Goryachkin». - 2008. - № 2. P. C. 132-133.
9. The spiral screw mixer-pipeline / V. V. Konovalov, A. S. Fomin, A. V. Chupshev, V. P. Terushkov // Selsky mekhanizator. - 2012. - № 7. - 7 p.
10. Mishin, K. M. Experimental studies of the device for application of fat to the dry fodder / K. M. Mishin, A. A. Kurochkin, V. V. Konovalov // Dostizeniya nauki I tekhniki APK. - 2002. - № 9. -P. 17-18.
11. Petrova, S. S. To the question of determining the quality of the mixture in the drum mixer / S. S. Petrova, S. A. Kshnikatkin, N. V. Dimitriyev // Izvestiya of Samara state agricultural academy. -
2012. - № 3. - P. 67-72.
12. The substantiation of the angle of installatiof the tank and duration of mixing dry mixes with the drum mixer / V. V. Konovalov, N. V. Dimitriyev, S. A. Kshnikatkin, A. V. Chupshev // Niva Povolzhya. -
2013. - № 1. - P. 46-50.
13. Kulintsev, V. V. Protein concentrates for pigs feeding // Dostizeniya nauki I tekhniki APK. -2011. - № 1. - P. 61-62.
14. Lyandenbursky, V. V. Bases of scientific researches / V. V. Lyandenbursky, V. V. Konovalov, A. V. Bazhenov. - Penza: PSUAB, 2011. - 248 p.
15. Konovalov, V. V. Practice on processing results of scientific researches with the help of a PC / V. V. Konovalov. - Penza: PSAA, 2003. - 176 p.
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 47
